人体哪个器官最重要？ 浪漫主义者会说心脏，实用主义者会说大脑，现实主义者会说一切。 之所以这样，是因为人体是一个由许多部分组成的和谐机制，无论大小，它们都是一致的。 如果我们谈论这种机制最重要的燃料，那么氧气当然是第一种。 氧气的输送是心血管系统。 今天，我们将与您会面进行一项研究，科学家们在其中进行了研究，设法从可光聚合的水凝胶中创建出人造血管迷宫。 如何制造人造血管，它们的功效如何，它们在某种程度上不如真正的血管，姜黄与它有什么关系？ 这不仅是我们从研究小组的报告中学到的。 走吧
学习基础
一种人造血管的核心是一种可以与液体一起工作的材料，人造血管的主要任务是输送流体。 这种材料称为水凝胶。
水凝胶是
亲水性*聚合物链的组合，有时以胶体凝胶的形式出现，其中水是
分散介质* 。
亲水性* -良好吸收水的能力，疏水性的对立面（分子排斥水的能力）。
分散体系* -不会混合且不会彼此发生化学反应的多相化合物。 分散系统的一个显着示例是空气，云，复合材料等。
由于保持亲水性聚合物链的交叉键，形成了水凝胶的三维固体。 因此，即使在高水浓度下，水凝胶网络的结构完整性也不会溶解。 同时，水凝胶是一种极好的吸收剂。
该研究的水凝胶的另一个重要特征是其柔韧性，可与天然组织的柔韧性相媲美，这与高含水量有关。
不仅材料异常，而且其应用方法也不同。 由于血管和肺系统的形态非常复杂且令人困惑，因此使用常规3D打印方法将是错误的。 科学家使用立体光刻技术来制造软水凝胶，其中包含必要的血管“迷宫”。
与标准挤出打印不同，顺序应用
体素*时，
照片拼接*允许您使用图像投影并同时创建数百万个体素。
体素* -三维图像的元素，类似于二维图像中的像素。
光交联* （光交联）-在两个大分子之间或一个大分子的两个不同部分之间通过光诱导形成的共价键。
在立体光刻中，
xy分辨率由光的通过确定，而
z分辨率由吸收多余光并将聚合限制在所需层厚的吸光添加剂确定，从而提高了所创建对象的图案的准确性。
值得澄清的是，由于存在三维度（即x轴， y轴和z轴），三维打印中的术语“分辨率”一次具有多个定义。
Xy分辨率是在单层3D打印过程中激光或挤出机产生的最小移动。 该指标越低，结果越准确。 分辨率z已经是图层本身的厚度。
如果不使用光吸收添加剂，则水凝胶模型在形状和结构复杂性方面将受到极大限制。 并且出现一个问题：由于这些物质的毒性和致癌性，因此不可能使用用于构造光致抗蚀剂或制造塑料部件（例如，苏丹I-C
16 H
12 N
2 O）的常规阻光化学品。 但是，科学家并不容易因此而灰心。 他们提议使用合成的和天然的食用色素，它们在光吸收方面表现出色，并且对人体健康安全。
研究人员最初试图制造一种整体式水凝胶，主要由水和聚乙二醇二丙烯酸酯组成，其圆柱形通道的内部直径为1 mm，垂直于光投射轴。 但是，由于这样一个事实，即使这样简单的模型也很难建立，因为这样的事实，即合并元素的质量分数较低，并且需要更长的聚合时间，因此会在狭窄的通道中凝固，而该通道自然应该是空心的。
为了解决这个问题，有必要选择未来模型的某些构成要素，包括食用色素。 科学家发现，使用酒石黄（黄色食用色素E102），姜黄素（来自姜黄）或花青素（来自蓝莓）可使您获得带有迷宫血管的水凝胶而不会变硬，从而阻止了流体通过通道的流动。
在无机化合物中，金纳米颗粒（50 nm）显示出优异的结果，其特征在于光吸收度高和生物相容性好。
研究成果
结合以上所有发现和先前的发展，研究人员开始实际实施包含血管网络的水凝胶。
第一步是测试混沌混合器（混合器），即由于流体流动和血管几何形状之间的相互作用而使流体
均质化的血管内拓扑。
均质*是在化学品和相的通用系统体积内减少化学品和相分布不均匀性的过程。
使用内置的静态（固定）混合器创建整体水凝胶，该混合器由三维旋转叶片（厚度为150毫米）组成，在1毫米圆柱通道内具有交替的手性。
图片编号1为了测试这种混合器的可操作性，将层流流体以低雷诺数（0.002）施加到静态混合器上。 结果，观察到每单位长度（
1A ）的快速混合，并且取决于叶片的数量。
接下来，科学家创建了三维双尖瓣静脉瓣膜（
1B ）。 该阀的阀是动态的（移动的），并迅速响应脉动顺行（正向运动）和逆行（逆向运动）流体流动。 还值得注意的是，在阀门的鼻窦中形成了稳定的涡流，这与该阀门的行为完全一致。
演示了三维三维水凝胶人工二尖瓣静脉瓣膜的工作。下一步是更复杂和复杂的血管系统，其中可能包含多个迷宫。 最重要的是它们不应相交，否则当需要两个或多个彼此独立的独立流动时，结果将是一个大迷宫。 科学家使用的用于填充空间和分形拓扑的数学算法在设计两个不相交的维管迷宫时显示出了良好的效果。
图片编号2研究人员用两个不相交的通道测试了几种体系结构选择：围绕直（轴向）通道（
2A ）的螺旋形； 希尔伯特曲线1°和2°（
2B ）; 双连续立方晶格（
2C ）; 圆环周围的复曲面结（
2D ）。
展示了由两个独立通道组成的所有血管结构变体。接下来，科学家检查了他们的人造血管系统如何有效履行其主要职责-氧气运输。 具有脱氧红细胞（氧饱和度≤45％）的流体通过富含湿气态氧（7 kPa）的螺旋通道（
2E ）。 在输出处，您可以看到颜色从深红色变为亮红色，这表明在流体通过通道（
2F和
2G ）时红细胞中的氧气饱和。 该测试后的红细胞分析证实氧饱和度增加。
正如科学家自己所说，这种螺旋状的血管系统非常简单。 尽管充氧效果非常好，但仍需要在更严格的条件下测试该模型。 为此，我们的肺部模型是完美的，因为在这种情况下，不仅要考虑构建复杂的血管网络的可能性，还要考虑其弹性，这是由于肺部动力学而产生的重要指标。 科学家们根据他们以前的工作和同事的工作，创建了一个带有包围性血管网络的牙槽模型，该模型基于“ Weir-Felan泡沫”的复杂三维结构的原理。
图片编号3韦尔-费兰泡沫基于凸多面体，但这并不会停止产生类似于肺泡气囊和气道共同中庭的凹形泡沫（
3A ）。 结果模型由185个血管段和113个相交点组成。
接下来，将模型应用于打印。 钞票的大小为5 pl，打印时间为1小时（
3B ）。 复合气道与湿气态氧气的循环通风导致凹气道明显伸展和弯曲。 在循环通气期间，血管系统入口处的脱氧红细胞灌注（10至100 mm / min）导致红细胞明显压缩并从与呼吸道凹区相邻的血管中清除（
3C ）。
用包围的血管网络演示肺泡模型。计算模型的分析数据证实了在充气过程中凹气道的各向异性拉伸，即膨胀（
3D ）。
虽然肺泡模型中的水凝胶体积（0.8毫升）约为螺旋模型体积的25％，但两个模型的充氧效率几乎相同（
3E ）。
科学家认为，水凝胶的分支（网状）拓扑结构及其延伸以及通风过程中气流的重定向可以增加红细胞对氧气的吸收，即其氧合作用。
人造血管系统内的脱氧（左）红细胞和氧化（右）红细胞的比较。最重要的一点之一是可伸缩性。 换句话说，有必要考虑到血管系统的入口/出口和导管的位置，以使这种结构尽可能接近真实的肺部。 水凝胶的初始测试体积导致了高度分支的体系（
3F ）。 入口和出口血管系统应相对于彼此成180度角放置，并应从呼吸道进行拓扑移位。 血管本身应到达最远的分支，即到达肺泡囊泡，由354个血管段和233个血管相交点（
3G ）组成。
对获得的肺泡模型的测试表明，它在24 kPa的压力和0.5 Hz的频率下能够承受10,000个以上的通风循环6个小时。 同时，在测试过程中使用了湿润的氧气和湿润的氮气（
3H ，
3J ）。
在图像
3I上，可以清楚地看到已开发的系统提供了红细胞的混合以及在单个血管段内的双向流动。
演示由几个肺泡组成的肺部模型。正如我们已经了解的那样，开发的系统在测试过程中显示出优异的结果，但是还有一个重要的问题-水凝胶模型与活细胞兼容。
为了验证这一点，科学家使用立体光刻技术制作了与上述相同的模型，但是已经包含了活的哺乳动物细胞。 人间充质干细胞就是这样的细胞。 对所得系统的分析表明，水凝胶结构内的细胞保持活力并可以经历成骨分化。
由于科学家决定进行一系列测试，以确定这种制造生物相容性人工系统的方法的有用程度，因此无法获得如此积极的结果。
肝脏是基础，因为该器官在体内执行许多最重要的功能，其成功在很大程度上取决于该器官的结构拓扑。
图片编号4研究人员创建了一个复杂的水凝胶结构，该结构由许多单细胞组织和含有肝细胞聚集体的水凝胶载体组成（
4A -
4C ）。
与含有单细胞（
4B ，
4C ）的植入组织的活性相比，含有聚集体的组织载体的白蛋白的启动子活性提高了60倍以上。 另外，通过对切除后的组织进行彻底检查，水凝胶载体组织与被测小鼠的组织和血液更加融合（
4D ）。
肝聚集体优于单细胞，但它们增加了创建水凝胶模型的过程的复杂性，因为它们的大小超过了体素的最低分辨率（50毫米）。
为了解决此问题，科学家们创建了自己的聚合载体架构（
4E ）。 在微通道网络中植入了人脐静脉内皮细胞，因为这样可以提高组织的存活率。 此外，这种人造系统被移植到肝脏中，对啮齿动物产生了慢性损害。 植入后14天，观察到白蛋白启动子的活性，这表明功能性肝细胞的存活，即移植的肝细胞的活力（
4F ）。 免疫组织学分析显示，在印刷的水凝胶成分（
4F和
4G ）的表面上存在肝聚集体。 此外，对图像的常规分析表明，植入的水凝胶系统内部存在载体个体的血液，这再次证实了不存在任何排斥反应。
为了更详细地了解研究的细微差别和细节，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
这项研究的结果是基于水凝胶和天然/人造食用色素的血管系统，可以完美地应对其主要任务，尤其是氧气转移。 此外，科学家使用了一种不太标准的印刷方法（立体光刻），这使您可以在相当短的时间内创建复杂的体系结构。 将来，科学家打算改善他们的智慧，因为每个器官或身体各个部位的血管系统都有其自身的特征，在开发更先进的水凝胶人工类似物时必须加以考虑，研究和考虑。
人造组织，它们的聚集体以及随后的器官的产生是一个艰苦而非常复杂的过程。 但是好事常常充满困难。 这项研究只能说是一件好事。 需要器官移植的病人面临的第一个问题是期望。 例如，根据某些消息来源，每天有20人在美国排队等候肝移植而死亡。 第二个问题是捐助者。 您不能只拿一个人的器官移植到另一个人。 需要许多参数的兼容性。 第二个问题顺利解决了第一个问题，延长了救援行动的等待时间。
当然，器官和系统的大规模种植，例如农场中的西红柿，再进行移植只是未来的发展，但是它的发展取决于这种研究及其成功的程度。 在谈到今天的工作时，我们可以说这样的未来已经越来越近了。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家工作愉快！
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